허브 모터: 유형, 사양, 응용 분야 및 구매 가이드

허브 모터란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

A 허브 모터 차량의 휠 허브에 직접 통합된 전기 모터로, 구동 장치를 추진 지점에 배치함으로써 중앙 모터, 변속기, 차동 장치, 구동축 및 관련 기계적 연결 장치가 필요하지 않습니다. 바퀴는 모터입니다. 더 정확하게는 모터의 회전자가 바퀴 허브이고 고정자는 차량의 차축이나 포크에 고정됩니다. 이 기본 아키텍처는 전기 자동차 엔지니어링에서 가장 우아한 단순화 중 하나를 나타내며 여러 드라이브트레인 구성 요소를 단일 통합 어셈블리로 축소합니다.

일반적인 허브 모터에서 고정자는 감긴 구리 코일을 운반하며 축에 고정되어 고정되어 있습니다. 영구 자석을 운반하거나 일부 설계에서는 권선을 운반하는 회전자는 고정자를 둘러싸고 휠과 함께 회전합니다. 고정자 코일에 공급되는 전류는 회전자 자석과 상호 작용하여 토크를 생성하고 휠을 회전시키는 회전 자기장을 생성합니다. 대부분의 최신 허브 모터는 물리적 브러시가 아닌 모터 컨트롤러를 통해 전자 정류를 사용하는 브러시리스 DC(BLDC) 또는 영구 자석 동기 모터(PMSM)입니다. , 브러시 정류와 관련된 마모 및 유지 관리를 제거하면서 85~95%의 효율성을 달성합니다.

허브 모터는 모터 출력 샤프트가 휠 속도로 직접 회전하는지 아니면 유성 감속 기어를 통해 회전하는지에 따라 두 가지 기본 구성으로 생산됩니다. 직접 구동 허브 모터는 내부 기어링 없이 휠 속도로 회전합니다. 부드럽고 조용하며 기계적으로 단순하며 제동 에너지를 효율적으로 재생하는 기능이 있습니다. 기어 허브 모터에는 바퀴가 정상 속도로 회전하는 동안 모터가 더 빠르고 효율적인 속도로 회전할 수 있도록 하는 작은 내부 유성 감속(일반적으로 3:1 ~ 5:1)이 통합되어 있습니다. 즉, 기계적 복잡성이 추가되고 재생 시 약간의 효율성이 감소하는 대신 동일한 토크 출력을 위한 더 작고 가벼운 모터가 가능합니다.

허브 모터 유형 및 구성

허브 모터는 다양한 출력 수준, 크기 및 설계 구성을 포괄하며 각각은 다양한 차량 등급 및 성능 요구 사항에 최적화되어 있습니다. 허브 모터 사양을 애플리케이션 요구 사항에 맞추려면 이러한 구성 간의 차이점을 이해하는 것이 필수적입니다.

직접 구동 허브 모터

직접 구동 허브 모터에는 내부 감속 기어가 없으며 모터 로터가 휠에 직접 연결됩니다. 이 아키텍처는 무소음 작동, 높은 회생 제동 효율(제동 시 큰 직경의 고정자가 효과적인 발전기 역할을 함), 기어 마모나 윤활유 요구 사항 없음, 회전자 베어링 너머로 움직이는 부품이 없기 때문에 뛰어난 신뢰성 등 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다. 주요 제한 사항은 휠 회전의 낮은 회전 속도 특성에서 충분한 토크를 생성하기 위해 큰 모터 직경이 필요하다는 것입니다. 직경이 크고 폴 수가 많은 모터는 직경이 작은 동급 모터보다 낮은 속도에서 암페어당 더 많은 토크를 생성합니다. 이는 직접 구동 허브 모터가 일반적으로 동등한 출력의 기어식 대안보다 물리적으로 더 크고 무거운 이유를 설명합니다.

직접 구동 허브 모터는 1,000W 이상의 고성능 전기 자전거 응용 분야, 화물용 전기 자전거, 전기 스쿠터 및 경전기 자동차의 주요 사양으로, 회생 효율성 이점과 긴 서비스 수명이 기어형 대안에 비해 무게 프리미엄을 정당화합니다.

기어드 허브 모터

기어 허브 모터는 유성 감속 기어 트레인을 통해 휠에 연결된 고속 내부 모터를 사용하여 모터가 효율적이고 최적의 속도(일반적으로 휠의 경우 400~600RPM, 1,500~3,000RPM에서 작동하는 모터에서 3:1~5:1 감소를 통해 달성됨)로 작동할 수 있도록 합니다. 기어 감소를 통해 등가 토크 출력을 위한 모터 크기와 무게가 훨씬 작아집니다. 전자 자전거 애플리케이션용 250W 기어 허브 모터의 무게는 일반적으로 2.5~3.5kg인 반면 직접 구동 등가물은 4~6kg입니다. 고품질 기어 허브 모터의 유성 기어는 일반적으로 나일론 또는 소결 강철로 가공되며, 나일론 기어는 보다 조용한 작동을 제공하고 강철 기어는 중부하 작업에서 더 높은 토크 용량과 긴 수명을 제공합니다. 기어 허브 모터의 일방향 롤러 클러치(자유회전 메커니즘)는 모터에 전원이 공급되지 않을 때 바퀴가 자유롭게 회전할 수 있도록 해줍니다. 이는 타력 주행 시 직접 구동 모터가 자기 저항을 가하기 때문에 전자 자전거 지원이 작동되지 않을 때 인력 효율성에 상당한 이점을 제공합니다.

외부 로터와 내부 로터 구성

대부분의 허브 모터에 사용되는 외부 로터(아웃러너) 구성에서 영구 자석을 운반하는 로터 쉘은 고정 고정자 주위를 회전하며 로터는 휠 림에 직접 연결됩니다. 이 구성은 토크 암 길이를 최대화하며(로터 직경은 사용 가능한 토크 암과 동일) 직접 구동 애플리케이션에 매우 적합합니다. 로터가 고정자 내부에서 회전하는 내부 로터 구성은 소형 로터가 더 높은 회전 속도를 가능하게 하고 기어 감소를 통해 필요한 토크 증배를 제공하는 일부 고속 기어 허브 모터 설계에 사용됩니다.

미드 드라이브와 허브 모터 아키텍처

허브 모터 구성 자체는 아니지만 허브 모터와 미드 드라이브(중앙 장착) 아키텍처 간의 비교는 차량 설계자와 구매자에게 중요한 결정 포인트입니다. 전기자전거의 하단 브래킷이나 차량의 구동계 중앙에 장착된 미드 드라이브 모터는 차량의 기존 기어 변속기를 활용하여 모터가 다양한 부하 조건에서 효율적으로 최적의 속도 범위에서 작동할 수 있도록 해줍니다. 이와 대조적으로 허브 모터는 휠 속도에 고정되어 있습니다. 즉, 정지 상태에서 언덕을 오르는 등 높은 토크, 저속 조건에서 최적의 효율을 벗어나 작동합니다. — 미드 드라이브 아키텍처가 피하는 근본적인 물리적 제약입니다. 허브 모터는 더 낮은 시스템 복잡성, 더 낮은 비용, 더 나은 방수(구동트레인에 대한 개방형 기계적 연결 없음) 및 허브-모터-휠 구성이 아닌 경우 펑크 난 타이어 서비스를 위한 더 쉬운 휠 제거 기능을 보완합니다.

주요 기술 사양

차량 카테고리 전반에 걸친 애플리케이션

허브 모터는 특정 차량 부문에서 상업적 우위를 달성하는 동시에 다른 부문에서는 개발 단계 또는 틈새 시장을 유지했습니다. 채택 패턴은 각 차량 카테고리의 성능 요구 사항과 일치할 때 기술의 진정한 장점과 한계를 반영합니다.

전기 자전거 및 화물용 전기자전거

전기 자전거는 단위 부피 기준으로 가장 큰 글로벌 허브 모터 시장을 대표하며, 전 세계적으로 매년 4천만 대 이상의 전기 자전거가 판매되며, 대부분이 허브 모터로 구동됩니다. 후방 허브 모터는 소비자용 전기 자전거의 주요 구성으로 페달 보조 및 스로틀 구동 모드를 제공하는 동시에 낮은 소매 가격과 최소한의 서비스 요구 사항을 가능하게 하는 단순성을 유지합니다. 최종 마일 배송, 가족 운송 및 상업 물류를 위해 100~300kg의 탑재량을 운반하는 화물 전기 자전거는 열 과부하 없이 경사면에서 무거운 하중을 견딜 수 있는 500~1,500W 범위의 고토크 직접 구동 후면 허브 모터 또는 강력한 기어 허브 모터를 점점 더 많이 지정하고 있습니다.

전기 스쿠터 및 오토바이

전기 스쿠터(전 세계 도시에 배포된 공유 마이크로 모빌리티 차량부터 아시아 시장을 지배하는 125cc에 해당하는 개인 통근 스쿠터까지)는 1~5kW 범위의 단일 후방 허브 모터를 압도적으로 사용합니다. 허브 모터 아키텍처는 스텝스루 프레임 디자인이 중간 장착 모터에 자연스러운 위치를 제공하지 않고 허브 모터의 낮은 무게 중심이 핸들링에 긍정적으로 기여하기 때문에 스쿠터에 특히 적합합니다. 고성능 전기 오토바이는 패키징 단순성과 스프링 하 질량 교환 분석을 통해 중앙 모터의 체인 또는 벨트 구동보다 휠 내 아키텍처를 선호하는 응용 분야를 위해 뒷바퀴에 허브 모터 구성을 채택하기 시작했습니다.

전동 휠체어 및 이동 보조 장치

허브 모터는 전동 휠체어, 이동 스쿠터, 이동이 불편한 사용자를 위한 개인 이동 장치를 위한 범용 구동계 솔루션입니다. 아키텍처의 콤팩트한 패키징, 저소음 및 독립적인 휠 제어(왼쪽 및 오른쪽 구동 휠의 속도와 방향을 변경하여 차동 조향 가능)는 제한된 실내 공간에서 기동성이 가장 중요한 응용 분야에 이상적으로 적합합니다. 토크 감지 및 하위 보행 속도에서의 부드러운 저속 제어는 중요한 성능 요구 사항입니다. 이는 이동 보조 허브 모터 컨트롤러를 레크리에이션용 전자 자전거에 사용되는 단순한 속도 제어 중심 컨트롤러와 구별합니다.

자동차 허브 모터: 현황 및 과제

수십 년간의 개발 관심과 수많은 프로토타입 시연에도 불구하고 허브 모터는 아직 승용차 및 상업용 차량 시장에서 상당한 보급을 달성하지 못했습니다. 이는 경량 차량 카테고리에서 우위를 차지하는 것과는 대조적입니다. 자동차 허브 모터 채택을 제한하는 주요 엔지니어링 과제는 스프링 하질 질량, 열 관리 및 구조적 통합 복잡성입니다. 스프링 아래 질량(바퀴, 브레이크 및 (허브 자동차의 경우) 모터 자체를 포함하여 서스펜션 스프링이 지지하지 않는 구성 요소의 질량)은 승차감과 도로 유지 능력을 직접적으로 저하시킵니다. 각 구동 휠에 20~30kg을 추가하는 허브 모터는 중앙 모터 배열에 비해 스프링 하 질량을 크게 증가시키므로 허용 가능한 승차감과 핸들링을 유지하려면 서스펜션 재설계가 필요합니다. Protean Electric, Elaphe 및 NovaDrive를 포함한 여러 자동차 OEM 및 기술 공급업체는 질량 감소 및 통합 능동 서스펜션 설계를 통해 이러한 문제를 해결하는 자동차 등급 허브 모터 시스템을 개발했으며, 스프링 아래 질량 감도가 승용차보다 낮은 버스 및 특수 차량 응용 분야에서 상용 배포가 나타나기 시작했습니다.

모터 컨트롤러 통합 및 회생 제동

허브 모터 시스템의 성능은 모터 자체만큼 컨트롤러에 의해 결정됩니다. DC 배터리 전압을 브러시리스 모터 구동에 필요한 3상 AC 파형으로 변환하는 전력 전자 장치인 모터 컨트롤러는 토크 출력, 속도, 회생 제동, 열 보호 및 차량 관리 시스템과의 통신을 제어합니다.

벡터 제어라고도 알려진 FOC(자속 기준 제어)는 고성능 허브 모터 컨트롤러를 위한 현재 표준 알고리즘입니다. FOC는 모터 전류를 토크 생성 구성 요소와 자속 생성 구성 요소로 분해하여 각각의 독립적인 최적화를 가능하게 합니다. 그 결과 단순한 정현파 또는 사다리꼴 정류 방식에 비해 더 부드러운 저속 토크 전달, 더 높은 피크 효율, 부분 부하에서 모터 발열 감소, 더 나은 회생 제동 성능을 얻을 수 있습니다. 전기 자전거 애플리케이션의 경우 토크 센서(스트레인 게이지 페달 센서)가 통합된 FOC 컨트롤러는 더 단순한 케이던스(회전 속도) 센서를 사용하는 보급형 제품과 프리미엄 전기 자전거를 구별하는 자연스럽고 반응성이 뛰어난 페달 보조 느낌을 생성합니다.

모터를 발전기로 작동하고 전류를 배터리로 되돌려 감속 중 운동 에너지를 회수하는 회생 제동은 단방향 클러치(기어열을 통한 역구동을 방지함)가 없기 때문에 기어드 허브 모터보다 직접 구동 허브 모터에서 더 효과적입니다. 직접 구동 시스템에서는 적당한 감속 하에서 제동 에너지 회수의 60~75%에 달하는 회생 제동 효율을 달성할 수 있으며, 특히 제동이 자주 발생하는 도심 스톱-스타트 주행 사이클에서 시스템 범위에 의미 있는 기여를 합니다. 차량 시스템 수준에서 효과적인 회생 제동은 도시 환경에서 전기자전거의 주행 거리를 5~15% 확장할 수 있습니다. 잦은 내리막 제동 이벤트가 높은 재생 기회를 제공하는 언덕이 많은 지형에서는 훨씬 더 많습니다.

소싱, 품질 표준 및 시장 환경

글로벌 허브 모터 공급망은 절강성, 광동성, 장쑤성에 집중되어 있는 중국 제조업체가 주도하고 있으며, 이들은 전 세계적으로 판매되는 전기 자전거 및 소형 EV 허브 모터의 상당 부분을 집합적으로 생산합니다. 이러한 집중은 다른 곳에서는 볼 수 없는 대규모 비용 경쟁력 있는 생산을 가능하게 하는 영구 자석(희토류 재료), 구리 권선, 강철 적층 및 전력 전자 제품에 대한 중국의 수직 통합 공급망을 반영합니다.

Bafang, Shengyi, Tongsheng 및 Heinzmann을 포함한 선도적인 중국 허브 모터 제조업체는 전 세계 전자 자전거 제조업체에 브랜드 제품과 OEM 부품을 모두 공급합니다. TM4(현재 Dana TM4), Elaphe 및 Protean Electric을 포함한 유럽 및 북미 제조업체는 품질, 책임 및 성능 요구 사항이 아시아 소비자 등급 제품에 비해 상당한 가격 프리미엄을 정당화하는 고전력 자동차 등급 허브 모터 시스템에 중점을 두고 있습니다.

허브 모터 평가를 위한 주요 품질 기준에는 자석 등급 및 유지(진동 시 자석 분리를 방지하기 위한 수지 포팅 또는 기계적 유지 기능이 있는 N35-N52 NdFeB 자석), 권선 품질(일관적인 회전 수 및 절연 무결성 테스트를 갖춘 자동 권선), 베어링 사양 및 예압(응용 분야의 결합된 반경 방향 및 축 방향 하중에 맞는 크기의 각도 접촉 또는 깊은 홈 베어링), 방수 무결성(설계 계산만 수행하기보다는 실제 침수 테스트를 통한 IP 등급 확인)이 포함됩니다. 규제 시장의 경우 차량 카테고리 및 시장 대상에 따라 CE 마크(EU), UL 인증(미국) 및 EN 15194 규정 준수(EU 전자 자전거 표준)가 필요합니다.